Двигун стірлінга

Renewable Energy, Двигун зовнішнього згоряння (двигун Стірлінга

19.08.2015

Двигун зовнішнього згоряння (двигун Стірлінга)

Категорія: Теплові машини. 26 Лютий 2007 34719

Renewable Energy, Двигун зовнішнього згоряння (двигун Стірлінга
Двигун Стірлінга — теплова машина, що працює не тільки від спалювання палива, але від будь-якого джерела тепла, наприклад — сонячних променів. В даній статті викладена історія розвитку двигуна, показаний принцип роботи, а також наведено приклади використання цього двигуна.

Історія розвитку

21 вересня 1816 року в Единбурзі в Шотландії, Роберт Стірлінг патентує теплову машину, яку називає economiser (сьогодні вона має назву двигун зовнішнього згоряння, або як її ще називають, честь винахідника, двигун Стірлінга). Однак перші елементарні «двигуни гарячого повітря» були відомі ще наприкінці XVII століття, задовго до Стірлінга. Досягненням Стірлінга є додавання очисника який він назвав «економ». У сучасній науковій літературі, цей очисник називається «регенератор» (теплообмінник). Він збільшує продуктивність двигуна утримуючи тепло в теплій частині двигуна в той час як повітря прохолоджується. Тому поява напередодні війни електродвигунів і двигунів внутрішнього згоряння (далі – ДВЗ), що були більш економічними і компактними, перешкодила подальшому розвитку двигунів Стірлінга. Тим не менш, моделі невеликих потужностей випускали ще тривалий час, до 50-их років.

На сьогодні, завдяки появі високоміцних термостійких матеріалів, електронних систем управління і нових технологій виробництва, двигун Стірлінга знову привертає увагу фахівців. Теоретичні розрахунки довели, що порівняно з ДВС, за умови застосування сучасних матеріалів, він виграє за економічними і екологічними показниками. І, зрештою, його чекає відродження.

Принцип роботи двигуна Стірлінга

Двигун Стірлінга – це поршневий двигун із зовнішнім підведенням теплоти від будь-якого джерела, в якому робоче тіло знаходиться в закритому контурі і його хімічний склад, під час роботи двигуна, не змінюється. Теоретична ефективність використання теплоти в двигуні Стірлінга відповідає найкращим зразкам ДВС, але практично забезпечити високий ККД двигуна Стірлінга можливо тільки при наявності ефективного регенератора, який утилізує тепло.

Питома потужність двигуна Стірлінга (потужність на одиницю робочого об’єму) відповідає потужності дизеля. Тривала історія розвитку двигунів із зовнішнім підведенням теплоти зумовила створення великої кількості різновидів цих двигунів. Однією з можливих конструкцій двигуні Стірлінга – це розташування циліндрів під кутом 90°, як зображено на рис. 2.

Один циліндр нагрівається зовнішнім джерелом тепла (наприклад, вогнем), а другий охолоджується, наприклад льодом. Циліндри заповнені газом і з’єднані один з одним, а їх поршні механічно зв’язані з допомогою пристрою, що забезпечує певний порядок їх руху.

Гаряча порожнина з’єднана з холодною через регенератор і охолоджувач. Регенератор є тепловим акумулятором, призначеним для запобігання втрат теплоти. Він сприймає теплоту робочого тіла при перетіканні з гарячої області в холодну і віддає її при зворотному перетікання робочого тіла. Матеріал регенератора повинен мати високу теплоємність і низьку теплопровідність, щоб уникнути передачі теплоти до охолоджувача. Охолоджувач сприймає основну частину теплоти, яка відводиться від робочого тіла, яке обумовлено закритим циклом двигуна Стірлінга. Порівняно з дизелем, в систему охолодження двигуна Стірлінга відводиться вдвічі більше теплоти, тому і продуктивність системи охолодження повинні бути удвічі вищою.

Renewable Energy, Двигун зовнішнього згоряння (двигун Стірлінга

Рис. 2. Одна з можливих схем двигуна Стірлінга.

Під час руху поршня вгору відбувається стискання повітря у всіх порожнинах двигуна, робоче тіло через регенератор, де відбирає накопичену теплоту, перетікає в гарячу порожнину. Теплоти до робочого тіла в гарячій порожнини підводять ззовні крізь стінки циліндра від продуктів згоряння, що утворюються в камері згоряння. Нагрівання робочого тіла в гарячій порожнини зумовлює підвищення його тиску у всіх сполучених між собою порожнинах двигуна. Під дією цього тиску робочий поршень переміщується вниз, здійснюючи робочий хід, а робоче тіло проходить регенератором, віддає йому частину теплоти, охолоджується в охолоджувачі і подається до холодної порожнини. Через зниження температури зменшується тиск. Далі цей цикл повторюється.

Регулювання потужності може здійснюватися у різні способи. Наприклад, зміною додаткового обсягу, для чого двигун обладнують додатковими поршнем з гвинтовою передачею.

Перспективи застосування двигунів Стірлінга

Двигуни Стірлінга мають вагомі переваги порівняно з двигунами внутрішнього згорання, такі як: — незначна витрата мастильних матеріалів;

— дуже низькі викиди основних шкідливих речовин, на порядок нижчі ніж ДВС, завдяки постійному згорянню палива в сприятливих умовах;

— незначна шумність двигуна Стиргинга, що пояснюється відсутністю механізму газорозподілу, а також безперервним плавним процесом згоряння, на відміну від вибухоподібного згоряння в циліндрах ДВЗ;

— невеликий обсяг технічного обслуговування;

— а також незалежність до конкретній речовині двигуна Стірлінга.

До недоліків можна віднести громіздкість, так як робити компактні, надійні та потужні теплообмінники дуже важко.

На сьогодні, виготовлення двигуна Стірлінга потребує великих коштів, ніж звичайні ДВС, тим не менш, його експлуатація — значно економічніше (але витратність виробництва можна пояснити непристосованістю промисловості до виготовлення двигунів Стірлінга).

Виключне властивість двигунів Стірлінга, що дозволяє застосовувати нетрадиційні палива, наприклад, біогаз, вугілля і навіть відходи деревообробної промисловості, а також використання будь-яких інших видів енергії робить їх особливо привабливими в зв’язку з використанням енергії з відновлюваних джерел.

На автомобілях двигуни Стірлінга не набули поширення, через значну питому вагу на одиницю потужності, а також через складність системи управління двигуном у швидкозмінних експлуатаційних режимах. Хоча їх і застосовують у складі комбінованих енергетичних установок, як утилізатори теплоти викидів ДВЗ.

Renewable Energy, Двигун зовнішнього згоряння (двигун Стірлінга

Рис. 3. Двигун Стірлінга для яхти.

А на таких транспортних засобах як яхти, атомні підводні човни, космічні кораблі, двигуни Стрилинга застосовуються досить широко. Оскільки в цьому випадку вага і габарити двигуна не є вирішальними факторами, що саме надійність визначає його роль як ідеального кандидата для перетворення теплової енергії в механічну. Завдяки тому, що двигун Стірлінга практично не потребує технічного обслуговування і регулювання, він може бути розміщений в ізольованій частині корпусу, що важливо в разі важкого доступу (на підводних човнах або космічних кораблях). Наприклад, NASA (National Aeronautics and Space Administration — Національна Адміністрація з Аеронавтики та Космонавтики США) впритул займається розробкою і удосконаленням двигунів Стірлінга, успішно впроваджує їх у космічних апаратах, тим не менш детальна інформація про таких розробках не поширюється.

Отже, розвиток науки і техніки зумовило утворення нових «екологічних ніш», де з успіхом може застосовуватися двигун Стірлінга.

Renewable Energy, Двигун зовнішнього згоряння (двигун Стірлінга

Рис. 4. Сонячна енергетична установка.

зокрема, на рис. 4 наведено приклад сонячної енергетичної установки. Досить високий ККД, простота і надійність конструкції двигуна Стірлінга зумовлюють ефективність його використання в таких системах. Сонячне світло фокусується увігнутими дзеркалами для розігріву двигуна (як джерело тепла). Охолоджувачем може бути навколишній атмосферне повітря. Маємо екологічно чисте джерело енергії, що так необхідний в сучасному світі.

Можливе також застосування зворотного циклу Стірлінга. Якщо приводити двигун Стірлінга в рух будь-яким зовнішнім пристроєм, тоді «гарячий» циліндр буде охолоджуватися, а «холодний» — буде розігріватися. Якщо при цьому підігрівати «гарячий» циліндр, наприклад, навколишнім повітрям, то «холодний» циліндр буде розігріватися до вищої температурі. При цьому зовнішня енергія витрачається безпосередньо на розігрів, а на «перекачування» тепла з холодного місця в тепліше, що значно ефективніше. Тобто двигун Стірлінга функціонує в режимі теплового насоса, і утворює теплоту для цільового використання.

Криокулер Стірлінга також працює за принципом теплового насоса, але застосовується як холодильна установка для отримання дуже низьких температур. У широких масштабах їх почали виготовляти вже 15-20 років тому – переважно для використання у військовій техніці: на танках і літаках необхідно було встановлювати високочутливі датчики і приймачі, що охолоджуються до температури -200°С. Для такого охолодження і було розроблено криокулери, робота яких базується на зворотному циклі Стірлінга.

Взагалі і сучасна напівпровідникова електроніка підійшла в своєму розвитку до межі, зумовлені фізичними законами. Подальше підвищення характеристик вимагає переходу до елементів, охолоджувані до температур -100°…-200°С. На світових конференціях по електроніці перспективынм на сьогодні визнано використання саме криокулеров Стірлінга. Моделі криокулеров невеликої потужності випускаються дрібними серіями і коштують $10000. 15000. За умови переходу до багатосерійному виробництва можна очікувати, що ціни зменшаться в кілька разів, що зробить їх використання комерційно рентабельним, спочатку в таких системах як файли-сервери і великі комп’ютери, а в перспективі і в побутових комп’ютерах.

Renewable Energy, Двигун зовнішнього згоряння (двигун Стірлінга

Рис. 5. Штучне серце

Однією з нетрадиційних областей застосування двигуна Стірлінга є медицина. Його застосовують в системах штучного серця. Джерелом енергії в таких системах, як правило, є радіоізотопи.

Renewable Energy, Двигун зовнішнього згоряння (двигун Стірлінга

Рис. 6 Когенераційна установка на базі двигуна Стірлінга

Крім згаданих досить екзотичних областей застосування двигунів Стірлінга, вже зараз є прийнятним їх впровадження в когенераційних установках. На рис. 6 зображена така установка з двигуном Стірлінга.

Когенераційні установки призначені для повного використання енергії, яка вивільняється під час згоряння палива. Частина цієї енергії перетворюється в електроенергію, решта – в теплоту, яка використовується для задоволення побутових потреб. Тобто двигун виробляє електроенергію, а теплота з його системи охолодження, змащення і випускної системи утилізується і забезпечує гаряче водопостачання, опалення приміщень і т. п. Завдяки спільного виробництва електричної та теплової енергії в когенераційних установках забезпечується значна економія палива – до 30%.

Сучасна світова енергетика розвивається в напрямку децентралізації енергопостачання, яке сприяє створенню автономних когенераційних установках.

У США і країнах Європи, насамперед Німеччини, вже розпочато серійне виробництво невеликих теплоелектричними установок з двигуном Стірлінга, наприклад, для потреб однієї сім’ї. Електрична потужність установки становить 2…9 кВт, теплова – 8…24 кВт. Загальний ККД установки досягає 92…94%,завдяки тому, що теплоту, яка не використана в двигуні, утилізовано в системі побутового теплопостачання. Паливом для такого двигуна Стірлінга є природний газ. Наприкінці 2001 року був виготовлений двигун, паливом для якого служать відходи деревообробної промисловості. Тепер ведеться розробка двигуна, паливом для якого стане біогаз.

Оскільки когенераційні установки з двигунами Стірлінга можуть мати невелику потужність і застосовують їх переважно у приватних будинках, то виробники очікують, що, принаймні в Німеччині, попит на них буде сягати 50000 установок на рік. На 2002 рік вартість однієї такої установки становила 24000 $. З подальшим зростанням попиту також очікують зменшення вартості такої установки.

Запаси традиційного нафтового палива стрімко скорочуються. Газ, бензин, дизельне паливо дорожчає. Тому застосування альтернативних джерел енергії – не просто перспективно, а єдино можливий спосіб виживання людства. У розвинених країнах активно впроваджують альтернативну енергетику. Зокрема, Швеція до 2020 року планує повністю відмовитися від традиційного палива.

Всі наведені приклади застосування двигуна Стірлінга реальні і практично реалізовані. Тим не менш, до цих пір двигуни із зовнішнім підведенням теплоти не набули поширення, можливо, через стереотипність мислення, або інертність промислового виробництва. Але сучасний світ змінюється, змінюються і пріоритети розвитку техніки. Тому, цілком можливо, що незабаром двигун Стірлінга прийде майже в кожен будинок, як тепловий двигун, елемент системи опалення або складова домашнього комп’ютера.

Короткий опис статті: двигун стірлінга Двигун Стірлінга — теплова машина, що працює не тільки від спалювання палива, але від будь-якого джерела тепла, наприклад — сонячних променів. теплова машина, двигун стірлінга, двигун зовнішнього згоряння, принцип роботи

Джерело: Renewable Energy — Двигун зовнішнього згоряння (двигун Стірлінга)

Також ви можете прочитати